胡帆，康輝梅，戴鵬，李賽白，沈超

（1.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410081；2.山河智能裝備股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100）

0 前言

日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題促使能源向著清潔、高效和循環(huán)利用的方向發(fā)展，提高能源的利用效率可有效抑制環(huán)境污染問(wèn)題［1-3］。尤其是在“十四五” 規(guī)劃中，我國(guó)明確提出要推進(jìn)能源革命，在2030 年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。由于工程機(jī)械污染排放高，并造成巨大的能源浪費(fèi)，成為嚴(yán)重的空氣污染源，因此提高工程機(jī)械的能源利用率刻不容緩［4-6］。

旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)具有可回收能量大、工作周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，具備勢(shì)能回收的理想條件，能量回收潛力大［7］。鉆機(jī)搭載的是多節(jié)伸縮型鉆桿，鉆桿與鉆具在作業(yè)時(shí)需要反復(fù)地提升和下放，從而導(dǎo)致大量的重力勢(shì)能以熱能的形式消耗在液壓系統(tǒng)中，造成了能量的浪費(fèi)［8］。

基于能量回收與再利用理論，按照儲(chǔ)能元件的不同可將勢(shì)能回收系統(tǒng)分為油電混合與油液混合兩種。其中油電混合勢(shì)能回收系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置（蓄電池、超級(jí)電容等）組成，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，并在合適的工況將儲(chǔ)存的電能釋放，為整機(jī)供能［9］。方曉瑜等［10］設(shè)計(jì)了采用液壓馬達(dá)的勢(shì)能回收系統(tǒng)，并提出了調(diào)節(jié)主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)排量、發(fā)電機(jī)控制扭矩及節(jié)流閥開(kāi)口度的三變量聯(lián)合控制策略。肖清等人［11］設(shè)計(jì)了以超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件的并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)多工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制策略。油電混合勢(shì)能回收系統(tǒng)中能量?jī)?chǔ)存單元功率密度較低，且充放電次數(shù)有限，難以滿足旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)頻繁帶動(dòng)鉆具進(jìn)行上提與下放工作，同時(shí)高昂的成本使其規(guī)?；瘧?yīng)用推廣受到制約。油液混合勢(shì)能回收系統(tǒng)以蓄能器為儲(chǔ)能元件，具有功率密度高、成本可控性穩(wěn)定、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于大型工程機(jī)械勢(shì)能回收。杜希亮等［12］提出了一種新型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)，提高了液壓挖掘機(jī)的能量利用效率。李建松等［13］提出流量再生與蓄能器相結(jié)合的混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)，使用蓄能器和平衡缸相結(jié)合的方式回收勢(shì)能，提高系統(tǒng)的能量利用效率。上述研究主要是將勢(shì)能回收技術(shù)應(yīng)用在挖掘機(jī)動(dòng)臂上。為此，根據(jù)旋挖鉆機(jī)循環(huán)往復(fù)的作業(yè)特點(diǎn)，本文作者以現(xiàn)有的某中型旋挖鉆機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種全新的主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)方案，并針對(duì)蓄能器的多個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量回收效率的影響進(jìn)行仿真研究，以優(yōu)化系統(tǒng)配置，提升系統(tǒng)能量回收效率。

1 旋挖主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)工作機(jī)制

1.1 傳統(tǒng)主卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)

圖1 所示為傳統(tǒng)主卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。該系統(tǒng)通過(guò)手柄切換主閥工作位來(lái)控制卷?yè)P(yáng)提升與下放，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且操作便利，但該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，大量的重力勢(shì)能以熱能形式消耗在液壓系統(tǒng)中，造成了能量的浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)正常工作造成不良影響。

圖1 傳統(tǒng)主卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)Fig.1 Traditional main winch hydraulic system

1.2 主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)

針對(duì)傳統(tǒng)主卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)下放過(guò)程中勢(shì)能損失問(wèn)題，在現(xiàn)有勢(shì)能回收技術(shù)基礎(chǔ)上，提出如圖2 所示的全新主卷下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由滾筒、減速機(jī)、馬達(dá)、先導(dǎo)式平衡閥、電磁換向閥、多路閥、主泵以及液壓蓄能器等零部件組成。系統(tǒng)在保證旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)操作性能的前提下，不僅能利用蓄能器回收鉆桿下放過(guò)程中釋放的勢(shì)能，還能通過(guò)電磁換向閥來(lái)切換不同工作模式，更大程度節(jié)約系統(tǒng)能耗，提高工作效率。

圖2 主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)Fig.2 Potential energy recycling and utilization system of the main winch：（a）lower to collect energy；（b）lift to release energy

該系統(tǒng)具有普通和節(jié)能兩種工作模式，通過(guò)電磁換向閥1、2 進(jìn)行切換，當(dāng)卷?yè)P(yáng)微動(dòng)或鉆桿進(jìn)行短距離下放時(shí)，切換普通模式，與常規(guī)卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)工作原理相同。當(dāng)鉆桿深距離下放時(shí)，切換節(jié)能模式，電磁換向閥1 得電右位工作，平衡閥開(kāi)口壓力油流回油箱，關(guān)閉閥口。主閥左工作位工作，壓力油經(jīng)過(guò)馬達(dá)時(shí)，鉆桿對(duì)馬達(dá)做功，將重物下放過(guò)程中釋放的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為壓力能，壓力油通過(guò)電磁換向閥2 進(jìn)入蓄能器進(jìn)行儲(chǔ)存能量。

主卷上提，電磁換向閥1 斷電左位工作，壓力油進(jìn)入先導(dǎo)式平衡閥控制口打開(kāi)閥口。手柄控制主閥右工作位工作，從主泵出來(lái)的壓力油通過(guò)平衡閥與蓄能器中儲(chǔ)存的壓力油共同驅(qū)動(dòng)主卷馬達(dá)，使得卷?yè)P(yáng)帶動(dòng)滾筒，利用鋼絲繩提升鉆桿。

綜上所述，在節(jié)能模式時(shí)，蓄能器能最大化地將卷?yè)P(yáng)下放過(guò)程中所浪費(fèi)的勢(shì)能能量進(jìn)行回收儲(chǔ)存，并在主卷提升時(shí)，將儲(chǔ)存的能量和主泵輸出的能量一起驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，提高主卷?yè)P(yáng)下放過(guò)程中的勢(shì)能利用效率，有效降低整機(jī)工作的綜合油耗。

1.3 蓄能器能量回收效率的理論分析

文中所研究的主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)，使用活塞式蓄能器進(jìn)行能量回收。蓄能器內(nèi)部的氣體為惰性氣體（氮?dú)猓?，根?jù)波義耳定律［14］，滿足下式：

式中：p0、V0分別為蓄能器的預(yù)充氣壓力與體積；p1、V1分別為蓄能器充液后氣體的初始工作壓力與體積；p2、V2分別為蓄能器在充液后氣體最大工作壓力與體積；n為由蓄能器工作狀態(tài)所確定的多變指數(shù)，n＝1 時(shí)，氣體工作在等溫條件下，n＝1.4 時(shí)，氣體工作在絕熱條件下。文中蓄能器充放液時(shí)間較短，蓄能器充液過(guò)程可看成絕熱過(guò)程，所以取n＝1.4，則式（1）變?yōu)?/p>

他高度重視人才建設(shè)和科研興所，在所內(nèi)形成了藥學(xué)和天然藥物兩個(gè)“省級(jí)領(lǐng)軍人才梯隊(duì)”。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的“中藥提取物標(biāo)準(zhǔn)研究平臺(tái)建設(shè)”“包含鹿骨瓜提取物和甜瓜籽提取物的藥物組合物”等項(xiàng)目分獲多項(xiàng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。他主持編寫(xiě)的《黑龍江省藥品微生物檢驗(yàn)方法匯編》《黑龍江省中藥飲片炮制規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)》不僅可以為生產(chǎn)企業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)，也為各級(jí)藥品檢驗(yàn)所的檢驗(yàn)提供了重要的參考依據(jù)。

蓄能器回收的能量E1為

根據(jù)鉆桿下放可回收勢(shì)能計(jì)算，文中所提出的主卷下放勢(shì)能回收效率為

式中：E2為鉆桿下放過(guò)程中所產(chǎn)生的重力勢(shì)能；m為鉆桿質(zhì)量；g為重力加速度；h為鉆桿下放深度；η為能量回收效率。

分析公式（3），蓄能器回收能量受蓄能器有效容積、初始工作壓力、預(yù)充氣壓力的影響。

2 仿真研究

2.1 搭建系統(tǒng)模型與參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證所提出旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)方案的可行性，分析系統(tǒng)的節(jié)能效率，根據(jù)圖2所示原理，利用AMESim 中液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)搭建主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)仿真模型，如圖3 所示。仿真模型主要由4 個(gè)部分組成，分別是泵控模塊、平衡閥模塊、負(fù)載模塊以及基于液壓蓄能器的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖3 主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The simulation model of the main winch potential energy recycling and using system

根據(jù)山河智能量產(chǎn)的中型旋挖鉆機(jī)整機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)賦值，具體設(shè)置情況如表1 所示。

表1 主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 The simulation parameters of the main winch potential energy recycling and using system

仿真模型主泵采用總功率控制，其中總功率控制曲線如圖4 所示。

圖4 不同功率下主泵壓力-流量輸出關(guān)系Fig.4 Main pump pressure-flow output relationship under different power

2.2 主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)仿真

為了提高模型的準(zhǔn)確性，基于AMESim 搭建的仿真模型選取鉆機(jī)的主卷上提與下放作為一個(gè)仿真周期，仿真數(shù)據(jù)采樣步長(zhǎng)為0.01 s。圖5 為主卷上提與下放過(guò)程的仿真結(jié)果。

圖5 手柄控制電流信號(hào)與蓄能器壓力曲線Fig.5 The handle control current signal and the accumulator pressure curves

在仿真模型中主卷?yè)P(yáng)是通過(guò)電流信號(hào)控制主閥左、右工作位切換，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿上提與下放。電流為0～40 mA 時(shí)，主閥切換左工作位，電流為-40～0 mA 時(shí)，主閥切換右工作位。

由圖5 可以看出，電流信號(hào)為0 時(shí)，主閥處于中位（0～2 s），蓄能器的初始?jí)毫Σ蛔?，電流信?hào)逐漸增大（2～15 s），主閥左工作位工作，卷?yè)P(yáng)帶動(dòng)鉆桿下放，系統(tǒng)進(jìn)行勢(shì)能回收，將回收的能量?jī)?chǔ)存在蓄能器中，隨著主卷下放時(shí)間延長(zhǎng)，蓄能器的壓力不斷增高，所回收的能量逐漸增多。當(dāng)壓力達(dá)到蓄能器最大工作壓力p2＝23 MPa 時(shí)（12.8～15 s），回收的能量不再增加。電流為-40～0 mA 時(shí)（15～26 s），主閥右工作位工作，鉆桿提升。上提過(guò)程中隨著蓄能器的壓力減小，所儲(chǔ)存的能量逐漸釋放，直到電流信號(hào)再次為0 時(shí)鉆桿上提到初始位置（26～30 s），主閥回到中位，由此可以看出主卷?yè)P(yáng)下放時(shí)勢(shì)能以壓力能的形式儲(chǔ)存在蓄能器中。

2.3 蓄能器性能仿真

基于圖3 所建立的AMESim 仿真模型，進(jìn)行蓄能器性能仿真分析。蓄能器為標(biāo)準(zhǔn)件，其外形尺寸不能隨意調(diào)整，分析公式（3）可知蓄能器的初始工作壓力p1、預(yù)充氣壓力p0、有效容積V大小的選取對(duì)主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)能量回收效率有直接影響。

（1）蓄能器初始工作壓力的影響

選取蓄能器預(yù)充壓力p0＝12 MPa，根據(jù)GB／T 2352—2003 規(guī)定［15］，p1×0.9≥p0。初始工作壓力p1分別取18、17、16 MPa，仿真得到蓄能器P 口（即蓄能器出口）壓力曲線如圖6 所示。蓄能器充能時(shí)間分別為9.81、11.82、13.84 s。當(dāng)壓力達(dá)到蓄能器最大工作壓力p2＝23 MPa 時(shí)，系統(tǒng)不繼續(xù)儲(chǔ)能，即此后壓力油通過(guò)溢流閥流回儲(chǔ)油箱。系統(tǒng)中卷?yè)P(yáng)下放時(shí)長(zhǎng)為15 s，3 種不同初始工作壓力的蓄能器的充能時(shí)間隨著工作壓力的增大而減少。初始工作壓力為18 MPa 時(shí)，在主卷下放過(guò)程中（2～9.81 s）蓄能器充能達(dá)到飽和，相較于初始工作壓力為16 MPa 時(shí)，充能時(shí)長(zhǎng)減少。又由公式（5）計(jì)算出3 種情況的能量回收效率分別為36.27%、37.74%、45.53%，由此得出：在合理范圍內(nèi)，當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力、有效容積一定時(shí)，隨著蓄能器預(yù)初始工作壓力減小，回收的能量增加。在主卷上提過(guò)程中（15～30 s）3 種工作壓力曲線共線，說(shuō)明蓄能器不同的初始工作壓力并不影響蓄能器釋放能量時(shí)的壓力，故而蓄能器初始工作壓力越大，蓄能器充能時(shí)間越短，系統(tǒng)回收的勢(shì)能越少。

圖6 不同初始工作壓力下蓄能器壓力變化曲線Fig.6 Accumulator pressure change curves under different initial work pressure

（2）蓄能器預(yù)充氣壓力的影響

選取蓄能器初始工作壓力p1＝16 MPa，根據(jù)GB／T 2352—2003 規(guī)定［15］，當(dāng)蓄能器充當(dāng)輔助動(dòng)力源時(shí)，預(yù)充氣壓力為蓄能器最高工作壓力p2＝23 MPa的40%～70%之間。預(yù)充氣壓力p0分別取10、11、12 MPa，仿真結(jié)果如圖7 所示。主卷下放過(guò)程中（2～15 s）蓄能器達(dá)到最大工作壓力的時(shí)間分別為12.55、13.41、14.23 s，p0越大，蓄能器吸收能量時(shí)間越長(zhǎng)，回收的能量越多。由公式（5）計(jì)算出3 種情況的能量回收效率分別為35.35%、41.24%、45.53%。由此可以得出：在主卷下放過(guò)程中，當(dāng)蓄能器的初始工作壓力、有效容積一定時(shí)，蓄能器預(yù)充氣壓力越大，回收能量的效率越高。

圖7 不同預(yù)充氣壓力下蓄能器壓力變化曲線Fig.7 Accumulator pressure change curves under different pre-exhaust pressure

（3）蓄能器有效容積的影響

當(dāng)蓄能器初始工作壓力p1和預(yù)充氣壓力p0一定時(shí)，選取有效容積V分別為190、210、230 L 共3 種不同情況進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖8 所示。3 種不同容積的蓄能器在系統(tǒng)蓄能過(guò)程中達(dá)到最大工作壓力的時(shí)間分別約為11.42、12.49、13.63 s，由公式（5）計(jì)算出3 種情況的回收效率分別為41.52%、43.46%、45.53%。由此得出，蓄能器有效容積越大，回收的能量越多，回收時(shí)間越長(zhǎng)，主卷下放勢(shì)能能量回收效率越高。蓄能器有效容積越小，蓄能器氣體壓力越先達(dá)到最大工作壓力，此后，蓄能器不會(huì)繼續(xù)回收能量，從而導(dǎo)致蓄能器的能量回收效率降低。

圖8 不同有效容積下蓄能器壓力變化曲線Fig.8 Accumulator pressure change curves under different effective volume

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證理論計(jì)算與仿真研究的正確性，根據(jù)本文作者所提出的主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)方案，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)。如圖9 所示，試驗(yàn)對(duì)象采用山河智能某量產(chǎn)的中型旋挖鉆機(jī)，根據(jù)第1.3 節(jié)與第2.3 節(jié)理論計(jì)算和仿真研究，綜合能量回收效率、實(shí)用成本、安裝便利性等因素，選擇蓄能器的預(yù)充氣壓力p0＝12 MPa，有效容積為V＝230 L，初始工作壓力為p1＝16 MPa。根據(jù)試驗(yàn)要求，采用德國(guó)Multisystom5060 測(cè)試系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)主要包括主泵的出口壓力、卷?yè)P(yáng)馬達(dá)進(jìn)／出油口壓力以及蓄能器出口壓力數(shù)據(jù)。

圖9 節(jié)能系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)Fig.9 Energy-saving system test prototype platform

在節(jié)能工作模式下，將旋挖鉆機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至1 900 r／min，將鉆桿下放與上提作為試驗(yàn)周期。操作手柄，將鉆桿下放至指定位置，停留2 s 后，再反向操作手柄，使主卷?yè)P(yáng)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆桿上提至初始下放位置。每次動(dòng)作前停頓2 s，重復(fù)上述動(dòng)作。將實(shí)機(jī)試驗(yàn)中蓄能器的氣體工作壓力曲線與AMESim 仿真所得到的壓力曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10 所示。

圖10 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)機(jī)測(cè)試壓力對(duì)比驗(yàn)證Fig.10 Comparison verification between simulation and test pressure

可知：仿真中與實(shí)機(jī)測(cè)試中蓄能器氣體的工作壓力，受旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同工作模式而變化的，下放鉆桿過(guò)程中（2～15 s），系統(tǒng)蓄能，蓄能器的工作壓力呈上升趨勢(shì)，達(dá)到蓄能器的最大工作壓力時(shí)，蓄能器不再繼續(xù)蓄能，壓力曲線由上升到逐漸平移；提升鉆桿時(shí)，蓄能器釋放能量（15～26 s），蓄能器工作壓力呈下降趨勢(shì)。當(dāng)手柄控制主閥處在中位（0～2 s）時(shí)，蓄能器實(shí)機(jī)測(cè)試壓力與仿真壓力曲線重合，當(dāng)開(kāi)啟壓力控制的一瞬間（2～3 s），實(shí)機(jī)測(cè)試中，蓄能器的壓力曲線相較于仿真時(shí)會(huì)有一定的波動(dòng)，關(guān)閉時(shí)（26～28 s）也是如此。而蓄能器壓力達(dá)到最大工作壓力時(shí)，仿真壓力曲線近似直線，但在實(shí)機(jī)測(cè)試中會(huì)因系統(tǒng)壓力沖擊導(dǎo)致曲線略有波動(dòng)。

綜上，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本趨勢(shì)相符，表明仿真結(jié)果具有合理性。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)一種以液壓蓄能器為輔助能量回收裝置并加裝直動(dòng)式電磁換向閥作為普通／節(jié)能模式實(shí)時(shí)切換的主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)。

（2）利用AMESim 搭建了旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)仿真模型，并針對(duì)蓄能器的主要參數(shù)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明：蓄能器的有效體積和充氣壓力的大小是影響蓄能器能量回收效率的關(guān)鍵因素，同時(shí)也為工程應(yīng)用提供了參數(shù)選擇依據(jù)。

（3）利用山河智能某量產(chǎn)的中型旋挖鉆機(jī)為樣機(jī)搭建了主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明主卷?yè)P(yáng)下放勢(shì)能回收與利用系統(tǒng)仿真模型具有一定的合理性，達(dá)到了一定的節(jié)能效果。